雙江口水電站雙曲拱壩方案右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性分析*

朱自強(qiáng)，祁 玲，張 林，楊寶全

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都，610065)

前言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)資源的開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)正在快速開展。在這一地區(qū)開展的工程中，往往需要開挖大量巖體，形成高陡邊坡。而邊坡的穩(wěn)定性狀況，關(guān)系到工程建設(shè)的安全，并在很大程度上影響著工程建設(shè)的投資和使用效益，如果處理不當(dāng)，往往導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，形成滑坡和崩塌[1]。如天生橋二級(jí)水電站進(jìn)口右岸邊坡開挖導(dǎo)致滑坡，致使48人喪生；小浪底水電站工程的進(jìn)場(chǎng)公路開挖，發(fā)生30萬m3的滑坡；瀾滄江漫灣水電站左岸纜機(jī)平臺(tái)邊坡失穩(wěn)的治理工程耗資1.2億元，耗費(fèi)大量人力和財(cái)力，并使延誤工期1年。

因此，對(duì)邊坡特別是高邊坡的穩(wěn)定性研究顯得尤為重要。邊坡穩(wěn)定性的分析研究始于上世紀(jì)20年代，早期的邊坡研究有兩種方法：一是分析邊坡所處的地質(zhì)條件以及滑坡和滑坡發(fā)生的環(huán)境與機(jī)制的影響[2]；二是根據(jù)三個(gè)靜力平衡理論以及剛體平衡條件最終計(jì)算邊坡極限平衡狀態(tài)下的總穩(wěn)定性。上世紀(jì)80年代開始，隨著計(jì)算機(jī)理論及其科學(xué)的發(fā)展，在數(shù)值模擬技術(shù)的幫助下，邊坡研究不斷取得新成果，以有限元法為代表的數(shù)值分析法也開始大量應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中[3]。

雙江口水電站邊坡達(dá)到300m以上，穩(wěn)定性是控制工程安全性的關(guān)鍵問題之一。本文在實(shí)地考察基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究雙江口水電站右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，利用現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)和資料，采用剛體極限平衡法與有限元法兩種方法進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)前期擬選混凝土雙曲拱壩方案進(jìn)行拱肩槽邊坡的穩(wěn)定性分析和探討，并給出總體評(píng)價(jià)和支護(hù)建議。研究成果為該水電站雙曲拱壩方案穩(wěn)定性分析與鑒定提供重要參考。

1 工程概況

雙江口水電站地理位置[4]處于四川省阿壩州馬爾康縣與金川縣交界處，位于大渡河上游段，大金川主干水系綽斯甲河及重要支流足木足河交匯處雙江口(可爾因)下游段，壩段位于阿壩州馬爾康縣境內(nèi)的大渡河上源河流足木足河與綽斯甲河匯口以下2km處，是大渡河干流開發(fā)的上游控制性工程。天然邊坡與工程邊坡高度達(dá)到300m以上。該水電站設(shè)計(jì)壩高318m，正常蓄水位2550m，是大渡河流域規(guī)劃擬建的最大庫(kù)容水電站之一。

該段河谷呈典型的深切“v”型谷，兩岸岸坡陡峻，相對(duì)高差達(dá)1000m以上，自然坡度左岸35°～50°、右岸45°～60°，谷底寬100m～200m。右壩肩屬于天然邊坡，基本為巖質(zhì)邊坡，在坡腳存在較厚的覆蓋層，其余基本為基巖裸露，其剖面形態(tài)為“V”字形一邊，天然邊坡坡度約52°，屬于峻坡，右壩肩垂直落差約523m，屬于超高邊坡。該段河谷典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 典型地質(zhì)橫剖面

右岸岸巖體向河谷臨空方向卸荷強(qiáng)烈?？碧狡巾辖衣?，巖體卸荷方向?yàn)轫樒碌腘W向中陡傾角裂隙方向，并且局部追蹤裂隙密集部位發(fā)現(xiàn)卸荷比較明顯，其卸荷強(qiáng)度一般隨水平深度增加而減弱。壩址區(qū)右岸2250m～2275m高程強(qiáng)卸荷水平深度為6.5m～19m，弱卸荷水平深度為20m～45m；2400m高程左右強(qiáng)卸荷水平深度為3m～10.5m，弱卸荷水平深度為23m～29m。強(qiáng)卸荷帶和弱卸荷帶基本上分別與弱風(fēng)化帶上段和下段相對(duì)應(yīng)。強(qiáng)卸荷帶內(nèi)巖體松弛嚴(yán)重，卸荷裂隙較發(fā)育，裂隙普遍松弛張開0.5cm～5cm、最大達(dá)10cm以上，充填碎屑及次生泥，多浸、滴水。

該水電站拱肩槽部位，谷坡高陡，設(shè)計(jì)壩高達(dá)318m，其規(guī)模之巨大，如果出現(xiàn)失穩(wěn)，將對(duì)水電站的施工、運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，由此產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響是不可估量的。

2 極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性

2.1 極限平衡法計(jì)算理論

極限平衡法屬于經(jīng)典的確定性分析方法之一[5]，包括如瑞典法、比肖普法、摩根斯坦法等，由彼得森(瑞典)于1912年提出，最大的特點(diǎn)是公式簡(jiǎn)捷、模型簡(jiǎn)單、各種復(fù)雜剖面以及各種加載形式都可以解決。

極限平衡法的基本原理是：

(1)假定邊坡構(gòu)成的介質(zhì)是完全均勻的，同時(shí)抗剪強(qiáng)度τf滿足庫(kù)侖定理：

τf=c+σtanφ

(1)

其中：c——粘結(jié)力，φ——內(nèi)摩擦角，σ——法向應(yīng)力。

(2)假設(shè)破壞面為圓弧形，在對(duì)所有圓弧的安全系數(shù)計(jì)算中最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為安全系數(shù)最小的。

(3)將每個(gè)滑動(dòng)體劃分為N個(gè)條塊并且假定條塊間無作用力。

(4)安全系數(shù)K的計(jì)算方法(各圓弧面上的)為：

(2)

2.2 計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算中巖體天然重度取26.8kN/m3，飽和重度取28.5kN/m3，浮重度取16.8kN/m3。地震基本烈度Ⅶ級(jí)，水平地震系數(shù)EQH=0.204。

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料得出計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，首先對(duì)橫剖面線橫Ⅰ、橫Ⅱ、橫Ⅲ，三條剖面線在未開挖前的穩(wěn)定性進(jìn)行極限平衡計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 天然邊坡極限平衡法計(jì)算結(jié)果

(1)結(jié)果顯示，穩(wěn)定性受地震的影響不大，暴雨對(duì)穩(wěn)定性的影響較大。

(2)橫III剖面的方案1，存在不穩(wěn)定的可能，其得出的數(shù)值趨近于極限平衡狀態(tài)，在部分工況下可能會(huì)對(duì)工程構(gòu)成威脅，在條件允許的情況下可以考慮對(duì)其進(jìn)行錨索加固處理。

(3)其他方案均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

總體來說，右岸拱肩槽天然邊坡穩(wěn)定性良好，只有極少數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，少數(shù)計(jì)算方案得出的安全系數(shù)數(shù)值較低，可考慮進(jìn)行相應(yīng)的加固處理。

3 有限元法分析邊坡穩(wěn)定性

3.1 有限元法計(jì)算理論

有限元強(qiáng)度折減法[3]就是不斷調(diào)整邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，將粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ的正切值tanφ，同除以一個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)F，得到新的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′。

(3)

然后根據(jù)新的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′，采用有限元法計(jì)算。隨著強(qiáng)度折減系數(shù)F的增大，邊坡巖體強(qiáng)度逐漸降低，變形逐漸增大，邊坡應(yīng)力分布發(fā)生變化，邊坡逐漸由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變到極限平衡狀態(tài)，進(jìn)而失穩(wěn)發(fā)生破壞。若邊坡強(qiáng)度折減系數(shù)F剛好使邊坡處于臨界失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)，則此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)F就是邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。有限元強(qiáng)度折減法的任務(wù)就是要找出這個(gè)使邊坡處于極限平衡狀態(tài)的安全系數(shù)。

3.2 計(jì)算依據(jù)與計(jì)算參數(shù)用ANSYS軟件分析右岸拱肩槽邊坡穩(wěn)定性，本文選取了橫I剖面在天然工況下采用降強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)面計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算剖面見圖1。

本文為計(jì)算天然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形和破壞過程，因此，在ANSYS軟件中為模型左端下端和右端分別設(shè)置法向約束，模擬選取單元與其余巖體的連接，并模擬自然條件下加載重力場(chǎng)(見圖2、圖3)。模型計(jì)算采用的是理想的彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則。

圖2 ANSYS模型

圖3 建立法向約束并加載重力場(chǎng)

3.3 采用降強(qiáng)法計(jì)算

在天然工況下，不增加荷載大小，通過降低結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，直至計(jì)算不收斂。

每次將結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低10%，通過計(jì)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低40%時(shí)計(jì)算結(jié)果不收斂，停止計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果如圖4-圖7。

圖4 天然狀態(tài)S1主應(yīng)力圖形

圖5 天然狀態(tài)S3主應(yīng)力圖形

圖6 天然狀態(tài)X方向(水平)位移圖形

圖7 天然狀態(tài)Y方向(縱向)位移圖形

根據(jù)庫(kù)倫定力τfF=CF+σtanφF與計(jì)算結(jié)果，將第一主應(yīng)力S1和第三主應(yīng)力S3，以及最大x方向位移ux和最大y方向位移uy，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

由此繪制相應(yīng)曲線圖8-圖9。

圖8 橫坐標(biāo)為ux，縱坐標(biāo)為τ

圖9 橫坐標(biāo)為uy，縱坐標(biāo)為τ

3.4 有限元法結(jié)果分析

通過選取典型剖面1-1，在天然狀態(tài)下進(jìn)行降強(qiáng)法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低10%到20%初始降強(qiáng)邊坡的變形基本上為線性變化，當(dāng)強(qiáng)度降低為30%時(shí)，應(yīng)力與位移速度開始加快。當(dāng)強(qiáng)度降低為原來的40%時(shí)，計(jì)算結(jié)果不收斂。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果及圖8、圖9，得出該曲線計(jì)算拐點(diǎn)為2.71，根據(jù)計(jì)算公式得到該剖面安全系數(shù)為3.76/2.71=1.3874。

(3)右岸邊坡巖體整體性較好，不存在發(fā)生大規(guī)?；剖Х€(wěn)邊界條件。

(4)邊坡位移較大值出現(xiàn)的位置主要存在于高程為2300m左右的f2斷層臨空面邊緣，隨著強(qiáng)度的降低，位移有增大的趨勢(shì)。

(5)天然狀態(tài)下，主應(yīng)力服從一般應(yīng)力分布方式。最大主應(yīng)力位于模型的底部，最大值為3.52MPa，最小主應(yīng)力位于斷層端部。

4 結(jié)論

(1)通過剛體極限平衡法分析得到：天然邊坡總體穩(wěn)定性良好，只有極少數(shù)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，少數(shù)計(jì)算方案得出的數(shù)值較低，可考慮進(jìn)行相應(yīng)的加固處理。然而工程邊坡中低高程穩(wěn)定性相對(duì)較差，部分塊體可能會(huì)影響到工程邊坡的開挖，其主要的失穩(wěn)方式為滑落失穩(wěn)，可以考慮對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的加固措施，對(duì)于巖體質(zhì)量較差的可考慮開挖去掉。

(2)為了全面分析雙江口水電站雙曲拱壩方案拱肩槽邊坡的穩(wěn)定性，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)邊坡典型的1-1剖面開展了有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算，通過計(jì)算獲得了該坡面在天然工況下的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，并通過強(qiáng)度折減計(jì)算獲得其失穩(wěn)破壞區(qū)域、破壞機(jī)理和穩(wěn)定安全系數(shù)。

(3)對(duì)剛體極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法兩種方法獲得的雙江口水電站雙曲拱壩方案右岸拱肩槽邊坡的失穩(wěn)破壞模式、各滑移塊體的安全系數(shù)、破壞機(jī)理、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等結(jié)果進(jìn)行綜合分析表明：右岸拱肩槽邊坡存在部分不穩(wěn)定的情況，特別是一些長(zhǎng)大的結(jié)構(gòu)面對(duì)工程邊坡的開挖存在一定的威脅，建議對(duì)局部不穩(wěn)定的塊體做加固處理，以保證邊坡的穩(wěn)定和工程的順利進(jìn)行。